Таблица режимов лазерной резки металлов

Основы лазерной резки металлов

Лазерная резка металлов представляет собой высокоточный технологический процесс термической обработки, основанный на воздействии сфокусированного лазерного излучения на материал. Процесс осуществляется путем локального нагрева металла в зоне реза до температуры плавления или испарения с одновременным удалением расплавленного материала потоком газа-носителя.

Современные волоконные лазеры обеспечивают высокую концентрацию энергии в пятне диаметром 0.1-0.3 мм, что позволяет достигать плотности мощности до 106-107 Вт/см². Мощность современных промышленных волоконных лазеров достигает 30 кВт, что обеспечивает возможность резки толстых материалов на высоких скоростях с минимальной зоной термического влияния.

Физические основы процесса

Механизм лазерной резки основан на трех основных процессах: нагреве, плавлении и удалении расплавленного материала. При попадании лазерного излучения на поверхность металла происходит поглощение энергии и быстрый нагрев локальной области. Коэффициент поглощения зависит от длины волны излучения и свойств материала.

Волоконные лазеры с длиной волны около 1.07 мкм обеспечивают высокий коэффициент поглощения для большинства металлов, включая высокоотражающие материалы как алюминий и медь. Это объясняет их широкое применение в современном металлообрабатывающем производстве.

Нормативно-техническая база и стандарты качества

Качество лазерной резки металлов регламентируется национальным стандартом ГОСТ Р ИСО 9013-2022 "Резка термическая. Классификация резов. Геометрические характеристики изделий и допуски по качеству" и дополнительно ГОСТ Р ИСО 17658-2022 "Сварка. Дефекты кислородной, лазерной и плазменной резки. Термины". Данные стандарты устанавливают единые требования к геометрическим характеристикам, качеству поверхности реза и классификации дефектов для всех видов термической резки, включая лазерную.

Классификация качества резки

Стандарт определяет пять основных классов качества резки, каждый из которых характеризуется определенными параметрами точности и шероховатости поверхности. Класс качества выбирается в зависимости от назначения детали и требований к последующей обработке.

Для высокоточных деталей применяется класс 1 с отклонением от перпендикулярности не более ±0.05 мм и шероховатостью 10-25 мкм. Для заготовок под механическую обработку допустимо использование класса 4 с более грубыми параметрами качества.

Требования к материалам

Стандарт определяет, что материалы пригодны для лазерной резки, если при ухудшении свойств на участках реза деталь сохраняет свойства, необходимые для планируемого применения. Для резки подходят нелегированные и легированные стали, материалы на основе никеля, титановые сплавы, алюминиевые сплавы и другие металлы.

Основные технологические параметры

Качество и производительность лазерной резки определяются правильным выбором и настройкой технологических параметров. Основными управляющими параметрами являются мощность лазерного излучения, скорость резки, давление и тип газа-носителя, фокусное расстояние и положение фокуса относительно поверхности материала.

Мощность лазера

Мощность лазерного излучения является определяющим фактором максимальной толщины разрезаемого материала и скорости процесса. Современные волоконные лазеры для резки металла имеют мощность от 1 до 30 кВт. Выбор мощности зависит от типа и толщины обрабатываемого материала, требуемой производительности и качества реза. Лазеры сверхвысокой мощности (20-30 кВт) применяются для резки особо толстых материалов и обеспечения максимальной производительности в массовом производстве.

Для углеродистой стали толщиной 10 мм оптимальная мощность составляет 3-4 кВт, что обеспечивает скорость резки 1.0-1.8 м/мин при использовании кислорода как газа-носителя. Увеличение мощности выше оптимального значения может привести к ухудшению качества реза из-за перегрева материала.

Скорость резки

Скорость резки напрямую влияет на производительность процесса и качество получаемой поверхности. Оптимальная скорость составляет около 80% от максимально возможной для данной комбинации материала, толщины и мощности лазера. Слишком высокая скорость приводит к неполному прорезанию материала, а слишком низкая - к увеличению зоны термического влияния и ухудшению качества реза.

Положение фокуса

Положение фокусной плоскости относительно поверхности материала критически влияет на качество резки. Для большинства применений оптимальным является расположение фокуса на поверхности материала или на глубине 1/3 толщины листа. При резке толстых материалов фокус может смещаться в глубину материала для обеспечения равномерного прорезания по всей толщине.

Газы-носители и их влияние на процесс резки

Выбор газа-носителя является одним из ключевых факторов, определяющих качество, скорость и экономическую эффективность лазерной резки. Основными функциями газа являются удаление расплавленного материала из зоны реза, защита оптических элементов от загрязнения и, в случае реактивных газов, участие в химических реакциях для ускорения процесса резки.

Кислород (O₂)

Кислород используется преимущественно для резки углеродистых сталей, где происходит экзотермическая реакция окисления железа. Эта реакция выделяет дополнительную энергию, увеличивая скорость резки в 2-3 раза по сравнению с инертными газами. Рабочее давление кислорода составляет 0.5-4.5 бар в зависимости от толщины материала.

Недостатком использования кислорода является образование оксидной пленки на поверхности реза, которая может потребовать дополнительной обработки. Чистота кислорода должна составлять не менее 99.5% для обеспечения стабильного процесса резки.

Азот (N₂)

Азот применяется для резки нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов и других материалов, где требуется получение чистой поверхности реза без окисления. Азот создает инертную среду, предотвращающую химические реакции материала с окружающей атмосферой. Рабочее давление азота значительно выше и составляет 8-30 бар.

Преимуществами использования азота являются получение яркой металлической поверхности реза, отсутствие окисной пленки и возможность непосредственного сваривания или окрашивания без дополнительной подготовки поверхности. Недостатком является более высокая стоимость газа и необходимость большего давления.

Аргон (Ar)

Аргон используется для резки высокореактивных материалов, таких как титан и его сплавы, где требуется максимальная защита от окисления. Аргон обеспечивает наиболее инертную среду, но имеет высокую стоимость, что ограничивает его применение специальными случаями.

Сжатый воздух

Сжатый воздух является наиболее экономичным вариантом для резки тонких материалов толщиной до 2 мм. Воздух подается компрессором с давлением 15-25 бар. Недостатками являются ограниченная толщина резки, возможность загрязнения оптики влагой и маслом, а также образование окисной пленки на поверхности реза.

Особенности резки различных металлов

Каждый тип металла имеет специфические свойства, которые определяют выбор оптимальных параметров резки. Теплопроводность, температура плавления, коэффициент поглощения лазерного излучения и химическая активность материала являются основными факторами, влияющими на настройку технологических режимов.

Углеродистые стали

Углеродистые стали являются наиболее подходящими материалами для лазерной резки благодаря высокому коэффициенту поглощения излучения волоконного лазера и возможности использования кислорода для ускорения процесса. Максимальная толщина резки составляет 25-30 мм в зависимости от мощности лазера.

Оптимальные параметры резки углеродистой стали толщиной 10 мм: мощность лазера 3 кВт, скорость резки 1.0-1.8 м/мин, давление кислорода 2.5-3.5 бар, диаметр сопла 2.0 мм. При соблюдении этих параметров достигается класс качества 3 по ГОСТ Р ИСО 9013-2022.

Нержавеющие стали

Нержавеющие стали требуют использования азота для предотвращения окисления и сохранения коррозионных свойств материала. Высокое содержание хрома и никеля обуславливает необходимость повышенной мощности лазера по сравнению с углеродистыми сталями той же толщины.

Аустенитные нержавеющие стали типа AISI 304, 316 характеризуются высокой теплопроводностью и склонностью к налипанию расплава на кромки реза. Для минимизации этого эффекта используется высокое давление азота 18-26 бар и оптимизированная геометрия сопла.

Алюминиевые сплавы

Алюминий и его сплавы представляют наибольшую сложность для лазерной резки из-за высокой теплопроводности и отражательной способности. Современные волоконные лазеры значительно улучшили качество резки алюминия благодаря лучшему поглощению излучения на длине волны 1.07 мкм.

Максимальная толщина резки алюминия составляет 15-20 мм. Обязательно использование азота под высоким давлением 20-30 бар для предотвращения образования тугоплавких оксидов алюминия. Характерной особенностью является необходимость более высокой мощности лазера по сравнению со сталями.

Медь и латунь

Медь и ее сплавы имеют исключительно высокую теплопроводность и отражательную способность, что делает их одними из самых сложных материалов для лазерной резки. Максимальная толщина резки обычно ограничена 5-8 мм даже при использовании мощных лазеров.

Факторы, влияющие на выбор режимов резки

Выбор оптимальных режимов лазерной резки зависит от множества взаимосвязанных факторов, которые необходимо учитывать комплексно. Правильный анализ этих факторов позволяет достичь максимального качества резки при минимальных затратах времени и ресурсов.

Геометрические факторы

Геометрия разрезаемой детали существенно влияет на выбор параметров резки. Контуры с малыми радиусами закругления требуют снижения скорости резки для обеспечения точности. Отношение длины к ширине детали влияет на тепловые деформации, особенно для тонких материалов.

При резке деталей с отверстиями малого диаметра необходимо учитывать минимальный диаметр, который можно получить без снижения качества. Обычно минимальный диаметр отверстия равен толщине материала, но не менее 1 мм.

Требования к качеству

Класс качества резки определяет выбор всех технологических параметров. Для достижения высших классов качества (1-2) требуется снижение скорости резки, оптимизация фокусировки и использование газов высокой чистоты. Это приводит к увеличению времени обработки и стоимости производства.

Производственные факторы

Серийность производства влияет на выбор между скоростью и качеством резки. Для единичного производства высокоточных деталей оправдано использование режимов, обеспечивающих максимальное качество. Для массового производства приоритетом является производительность при сохранении требуемого уровня качества.

Квалификация оператора также является важным фактором. Опытный оператор может корректировать параметры в процессе резки для компенсации изменений условий обработки, таких как неравномерность толщины листа или колебания параметров газа.

Экономические соображения

Стоимость газа-носителя может составлять значительную долю в себестоимости резки, особенно при использовании азота под высоким давлением. Для толстых материалов расход азота может достигать 15-25 м³/ч, что требует экономического обоснования выбора газа.

Практические рекомендации по настройке оборудования

Правильная настройка лазерного оборудования является критическим фактором для достижения стабильного качества резки и максимальной производительности. Процесс настройки включает в себя калибровку оптической системы, настройку газовой системы и оптимизацию траектории движения режущей головки.

Настройка оптической системы

Точность фокусировки лазерного луча определяет качество резки. Регулярная проверка и калибровка фокусного расстояния должна выполняться не реже одного раза в смену. Для контроля качества фокусировки используется резка тестовых образцов с измерением ширины реза и анализом качества кромок.

Система автоматической фокусировки должна быть откалибрована для каждого типа обрабатываемого материала. Параметры калибровки включают в себя скорость подъема/опускания головки, чувствительность датчиков и алгоритмы компенсации неровностей поверхности листа.

Настройка газовой системы

Стабильность давления газа является критическим параметром для обеспечения постоянного качества резки. Система подачи газа должна обеспечивать точность поддержания давления ±0.1 бар от заданного значения. Необходимо регулярно контролировать чистоту газа и состояние фильтров.

Правильная настройка высоты сопла над поверхностью материала обеспечивает оптимальное формирование газового потока. Типичная высота составляет 0.5-2.0 мм в зависимости от толщины материала и диаметра сопла. Автоматическая система контроля высоты должна быть откалибрована для предотвращения столкновений с заготовкой.

Оптимизация траектории резки

Программирование траектории движения режущей головки влияет на производительность и качество резки. Оптимальная траектория минимизирует количество прерываний резки, холостые переходы и время обработки детали. Современные CAM-системы позволяют автоматически оптимизировать траекторию с учетом геометрии деталей и характеристик оборудования.

Контроль и диагностика процесса

Современные лазерные системы оснащены датчиками контроля процесса резки в реальном времени. Система мониторинга анализирует сигналы обратного рассеяния, акустической эмиссии и температуры плазмы для определения качества резки и своевременного обнаружения отклонений.

Регулярное техническое обслуживание включает в себя проверку юстировки оптических элементов, состояния защитных стекол, калибровку датчиков и обновление программного обеспечения. Профилактическое обслуживание позволяет предотвратить аварийные ситуации и поддерживать стабильное качество резки.